DE856330C

DE856330C - Anordnung zum Gleichrichten eines Wechselstromes

Info

Publication number: DE856330C
Application number: DES515A
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr Rer Nat Wegener
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1949-11-01
Filing date: 1949-11-01
Publication date: 1952-11-20

Description

Anordnung zum Gleichrichten eines Wechselstromes Es ist bekannt, zum Gleichrichten eines Wechselstromes sogenannte Kontaktumformer zu verwenden, bei denen von einem Synchronmotor gesteuerte Kontakte die Öffnung und Schließung des Stromkreises in dem gleichen Rhythmus vornehmen, wie er sonst durch den Ventilcharakter des Gleichrichters erfolgt. Um ein lichtbogenfreies öffnen der Kontakte zu erhalten, ist es ferner bekannt, eine Schaltdrosselspule vorzusehen, welche eine stromschwache Pause erzeugt. Damit die Anordnung immer richtig arbeitet, d. h. immer eine gleich lange stromschwache Pause erzeugt wird, ist es erforderlich, daß der zu unterbrechende Strom mindestens so groß ist, daß er die Schaltdrosselspule in seinem Scheitelwert noch sättigen kann. Es muß also eine bestimmte Grundlast vorhanden sein. An Stelle solcher mechanisch gesteuerter Kontakte kann man auch Schalter vorsehen, die durch Impulse ein- und ausgeschaltet werden, die im geeigneten Augenblick gegeben werden. Solche impulsgesteuerten Schalter 'können beispielsweise in der Form eines polarisierten Relais aufgebaut sein. Sie können auch beispielsweise aus zwei einander gegenüberstehenden Magneten bestehen, zwischen denen sich ein Anker bewegen kann, der unter dem Einfluß einer Feder steht. In der einen Schaltlage wird der Anker von dem einen Magneten entgegen der Wirkung der Feder festgehalten. Eine Wicklung, welche von dem Ausschaltimpuls erregt wird, ruft z. B. eine Gegenerregung hervor, wodurch der Anker von der Feder abgerissen und zu dem anderen Magneten geführt wird, der ihn festhält. Dieser besitzt ebenfalls eine Wicklung, die jedoch von dem Einschaltimpuls erregt wird. Wenn dieser gegeben wird, wird ebenfalls eine Gegenerregung erzeugt und dadurch der Anker von der Feder wieder zu dem ersten Magneten zurückgebracht und von diesem festgehalten. An Stelle durch die Impulse eine Gegenerregung zu geben, kann man auch in den Schenkeln zu den Polschuhen Fenster vorsehen, durch welche die Impulswicklung geführt ist, die dann bei genügend starker Erregung den Haltefluß vom Anker absperrt.
Um nun bei einer derartigen Gleichrichteranordnung mit impulsgesteuerten Schaltern und einer Schaltdrosselspule eine Grundlast entbehrlich zu machen, welche immer einen Verlust darstellt, wird erfindungsgemäß parallel zu dieser Gleichrichteranordnung eine zweite Gleichrichteranordnung mit elektrischen Ventilen geschaltet, die an eine höhere Spannung angeschlossen ist als die mit den impulsgesteuerten Schaltern arbeitende, und es werden unterhalb eines bestimmten Gleichstromes die impulsgesteuerten Schalter offengehalten, während sie bei überschreiten dieses Wertes in entsprechendem Rhythmus geöffnet und geschlossen werden. Außerdem wird von dem Strom, der von den impulsgesteuerten Schaltern gleichgerichtet wird, die Spannungsstromcharakteristik der mit elektrischen Ventilen arbeitenden Gleichrichteranordnung so beeinflußt, daß ihr Spannungsabfall erhöht wird.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung .dargestellt, und zwar ist die Schaltung nur einphasig gezeichnet. Mit i ist ein Drehstromtransformator bezeichnet. In Reihe mit der Sekundärwicklung liegt eine Schaltdrosselspule 2 und der Kontakt 3 eines impulsgesteuerten Schalters. Parallel zu dieser Anordnung liegt ein Transformator 4, dessen Sekundärwicklung in Reihe mit einem Trockengleichrichter 5 geschaltet ist. Im Stromkreis dieses Trockengleichrichters liegt noch eine Drosselspule 6, die vom Strom des Trockengleichrichters durchflossen wird. Mit 7 sind die Gleichstromschienen bezeichnet.
In Fig. 2 ist in Abhängigkeit vom Gleichstrom J, die Spannungsstromcharakteristik der mit den Impulsen gesteuerten Gleichrichteranordnung und die Charakteristik desTrockengleichrichtersdargestellt, und zwar ist die erste mit a und die zweite mit b bezeichnet, wobei angenommen ist, daß die Leerlaufspannungen beider gleich groß sind. Man sieht, daß, wenn bei einem bestimmten Gleichstrom, der durch die senkrechte Gerade dargestellt ist, die impulsgesteuerten Schalter in Tätigkeit treten sollen, ein Sprung im Strom entsteht. Ebenfalls entsteht ein solcher Sprung im Strom, wenn bei Unterschreiten dieses Wertes die impulsgesteuerten Schalter in der Offenstellung verharren und damit die Gleichrichtung durch diese Schalter unterbrochen wird.
Gibt man dagegen -dem Trockengleichrichter eine höhere Leerlaufspannung, so kann man Charakteristiken erhalten, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind, die bei dem Gleichstromwert oder annähernd bei dem Wert, bei welchem die Inbetriebsetzung bzw. Außerbetriebsetzung der impulsgesteuerten Schalter stattfinden soll, einander schneiden. Sorgt man nun dafür, daß in Abhängigkeit von dem gleichgerichteten Strom der impulsgesteuerten Schalter die Charakteristik gesenkt wird, wie es durch die Kurve b' dargestellt ist, so bekommt man einen praktisch übergangsfreien Zustand von dem einen Gleichrichter auf den anderen ohne Sprung. Die Anordnung arbeitet also so, daß bis zum Gleichstrom Jg nur der Trockengleichrichter mit -der Charakteristik b wirkt. Sobald dieser Strom überschritten wird, werden die impulsgesteuerten Schalter in Betrieb genommen und gleichzeitig durch den Strom dieser Schalter die Charakteristik des Trockengleichrichters so verschoben, daß sie den Verlauf b' nimmt, so daß der impulsgesteuerte Schalter praktisch den gesamten Strom führt. Wird dieser Stromwert unterschritten, so bleiben nie impulsgesteuerten Schalter offen. Infolgedessen wird die Charakteristik des Trockengleichrichters wieder gehoben, entsprechend der dargestellten Kurve b, und der Trockengleichrichter übernimmt den vollen Strom.
Um diese Charakteristik des Trockengleichrichters zu erreichen, ist im Ausführungsbeispiel die Drosselspule 6 mit einer Wicklung 8 versehen, die von dem gleichgerichteten Strom des Impulsschalters erregt wird. Man kann durch entsprechende Wahl der Magnetisierungskennlinie der Drosselspule und der Vormagnetisierung durch die Wicklung 8 erreichen, daß die in Fig. 3 dargestellte Charakteristik b' erzielt wird, indem durch die Vormagnefisierung der Arbeitspunkt immer mehr in den steilen Ast der Kennlinie gelegt wird.

Der Schalter 3 besitzt eine Einschaltwicklung 9 und eine Ausschaltwicklung io. Die Aus- und Einschaltwicklungen werden von Impulsen erregt, die im Hinblick auf die Phasenlage des Stromes bzw. der Spannung so gelegt sind, daß das Aus- und Einschalten zu dem gewünschten Zeitpunkt erfolgt. Im Ausführungsbeispiel erfolgt der Ausschaltimpuls durch einen gesättigten Wandler i i mit annähernd rechteckförmiger Charakteristik, dessen Sekundärwicklung 12 über einen Gleichrichter 13 auf die Ausschaltspule io einwirkt. Die Primärwicklung 14 wird über einen Widerstand 15 parallel zur Schaltdrosselspule und zum Kontakt 3 gelegt, so daß erst in dem Augenblick, in dem die Schaltdrosselspule ummagnetisiert wird, also die Stufe erzeugt, ein Strom über die Wicklung 14 fließen kann. Dadurch wird der Wandler i i ummagnetisiert und erzeugt im Sekundärkreis einen Stromimpuls. Damit der Wandler i i immer wieder, bevor ein Ausschaltimpuls gegeben werden soll, wieder zurückmagnetisiert wird, wird er noch vom Strom, der über den Schalter fließt, erregt. Hierzu dient die Wicklung 16. Man kann die Ausschaltimpulse auch beispielsweise durch einen gesättigten Wandler erzeugen, der primär von dem zu unterbrechenden Strom erregt wird. Die Einschaltimpulse werden von einem gesättigten Schaltwandler 17 erzeugt, der primär an eine Wechselspannung geeigneter Phase angeschlossen ist. Sobald der Primärstrom durch Null geht, beginnt die Ummagnetisierung des Wandlers. Während der Zeit -dieser Ummagnetisierupg tritt an dem

Wandler ein Spannttugsinipuls auf, der einen Strom-

impuls über den Gleichrichter i8 und die Einschalt-

wicklung 9 zur Folge hat. Damit nun diese Strom-

impulse unterhalb eines bestimmten Gleichstromes

nicht mehr gegeben «-erden können bzw. so klein

sind, dala cler linpulsschalter nicht mehr eingeschal-

tet wird. \\er(ieii die Eiiischaltinipulse über eine Im-

pulssperre geleitet. Diese Impulssperre besteht im

Ausführungsbeispiel aus zwei Magnetkreisen 20

und -, i, deren \Vicklungen 22 und 23 im Stromkreis

der :\uslösespule 9 liegen, während die Wick-

lungen 24 und 25 vorn gleichgerichteten Gesamt-

strom durchflossen werden. Die Wicklungen 22 und

2 3 sind gleichsititiig und die Wicklungen 24 und 25

gegensinnig in lZeihe geschaltet oder umgekehrt. Die

Magnetkreise besitzen eine Kennlinie mit einem

scharfen knick. \\ erden sie von dem Gleichstrom

vormagnetisiert, so sind die Impulse der Gleich-

stronivorinagnetisierung proportional. Unterschrei-

tet daher die Gleichstromvorinagnetisierung einen

bestimmten Wert, so reichen die Impulse nicht mehr

aus, den Schalter einzuschalten. Die Impulssperre

ist dabei so zti Beinessen, daß der Stromwert, bei

(lern die l:insclialtiinpulse nicht mehr ausreichen, um

den Schalter einzuschalten, oberhalb des Wertes des

Stromes liegt, der zur Erzeugung der Ausschalt-

impulse und/oder zur Siittigung der Schaltdrossel-

spule wird. wird.

Die Impulssperre kann auch in anderer Weise

ausgebildet sein. Wesentlich ist nur, daß sie unter-

halb eines bestimmten Gleichstrom-,vertes die Ein-

schaltilllptllsC so weit schwächt, daß der Schalter

nicht mehr eingeschaltet werden kann. Die Be-

messung ist ferner so zu treffen, daß der Stromwert,

bei welchem die Einschaltimpulse wieder ausreichen,

um den Schalter einzuschalten, so groß ist, daß bei

dein parallelen .\rbeiten der beiden Gleichrichter-

anordtitlligen der finit dein impulsgesteuerten Schal-

ter arbeitende lJleichrichter mindestens einen so

großen Strom erzeugt, daß sein Scheitelwert aus-

reicht, Uli] die Schaltdrosselspule in das Sättigungs-

gebiet zu bringen.

Soll die Gleichspannung geregelt werden, wie es

in vielen Füllen erwünscht ist, so wird man eine

gemeinsame Spannungsregelung für beide Gleich-

richteranordntingen durchführen. Iin Ausführungs-

beispiel wird die Regelung in der Weise bewirkt,

(1a1.9 der Ein_schaltzeitputikt durch Vormagnetisie-

rung des \\andlers 17 geändert wird und die Span-

nung, die der \'elitilgleicllricliter liefert, durch Vor-

inagnetisierung der Drosselspule 6. Hierzu dient ein

Stromkreis, der über einen Widerstand 26 in Reihe

mit der Wicklung 2; des Schaltwandlers 17 und

einer Wicklung =8 der Drosselspule liegt, so daß

die Spannungsregelung beider Teile getneinsam er-

folgt. Pie Spannung des Gleichrichters mit den im-

pul sgestL-tierteii Schaltern kann auch durch Vor-

niagiletisierung der Schaltdrosselspule 2 geregelt

werden.

Es ist 11(i der _\nordnung nach der Erfindung un-

wesentlich. \\ ie die Schaltung der beiden Gleich-

ricliter.iiiordntingen gew:ihlt wird. Iin Ausfü'hrungs-

beispiel ist angenommen, (1a1.9 jede Gleichrichter-

anordnung an einen beson!deren'Transformator angeschlossen ist. Zur Verringerung des Aufwandes kann es jedoch zweckmäßig sein, den Trockengleichrichter und den mit impulsgesteuerten Schaltern arbeitenden Gleichrichter in der gleichen Schaltung zu verwenden, -so daß ihre Spannungen phasengleich sind, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Soweit die Teile mit denen der Fig. i übereinstimmen, sind die gleichen Bezugszeichen gewählt. In Reihe mit der Einpliasenwicklung des Transformators i liegen die Schaltdrosselspule 2, die Vormagnetisierungswicklung 8 der Drosselspule 6, oder Kontakt 3 und die Vorniagnetisierungswicklungen 24 und 25 der .-lagiietkreise 20 und 21. Parallel zur Schaltdrosselspule und zum Kontakt 3 liegen der Trockengleichrichter 5, die Drosselspule 6 und die Sekundärwicklung des Zusatztransformators 28, der dazu dient, die Spannung an dem Trockengleichrichter gegenüber der Spannung an dem Schalter 3 so weit zu lieben, wie es erforderlich ist. Man kann auch dem speisenden Transformator zwei Sekundärwicklungen geben, eine für den Gleichrichter 5 und eine für etwas niedrigere Spannung für den impulsgesteuerten Schalter, man kann auch durch Anzapfungen an einer Sekundärwicklung die gewünschten Spannungen erzielen.

In Fig. i werden die Einschaltimpulse dadurch gegeben, daß von einer Hilfsspannung über einen Impulswandler die Impulse erzeugt werden. Man kann die Einschaltimpulse aber auch unmittelbar vom Strom, der durch die Schaltdrosselspule fließt, ableiten. Ein Ausführungsbeispiel dafür zeigt die Fig. 5. In Fig. 5 sind lediglich der Transformator i und der Transformator 4, die Schaltdrosselspule 2 und der Kontakt 3 mit der Einschaltwicklung 9 und der Gleichrichter 5 mit der in Reihe liegenden Drosselspule 6 dargestellt. Die Ausschaltwicklung für den Impulsschalter 3 und die Erzeugung der Ausschaltimpulse ist nicht dargestellt. Sie kann genau so sein wie bei der Anordnung nach Fig. 1. 13ei der Anordnung nach Fig. 5 wird zur Erzeugung der Einschaltimpulse ein gesättigter Schaltwandler 30 von dein Strom Tiber die Schaltdrosselspule erregt. Seine Sekundärwicklung ist über einen Gleichrichter 31 an die Einschaltspule 9 angeschlossen. Damit die Einschaltimpulse erzeugt werden können, ist noch parallel zu dem Kontakt 3 ein Nebenweg, beispielsweise in Form eines Ohmschen Widerstandes 32, vorgesehen. Damit die Impulse nur gegeben werden können, wenn der Primärstrom zunimmt, ist der Gleichrichter 31 vorgesehen. Der Wandler 30 muß, wenn der Primärstrom zunimmt, von dein unteren Knickpunkt seiner Magnetisierungskennlinie aus arbeiten, damit er zunächst ummagnetisiert wird und einen Impuls gibt. Er kommt dann durch den Primärstrom in das Sättigungsgebiet. Damit in der nächsten Periode der Stromwandler wieder von demselben Punkt aus zu arbeiten beginnt, muß man ihn vorher zurückmagnetisieren. Um diese Rückmagnetisierung zu ersparen, kann man dem Wandler einen kleinen Luftspalt geben, so daß also seine Kennlinie etwas gegen die Abszissenachse geneigt ist. Bei höheren Gleichspannungen wird man an Stelle des Trockengleichrichters 5 ein Entladungsgefäß verwenden. In diesem Fall kann man die Regeldrossel dadurch ersetzen, daß die Gitterspannung von dem Strom über den impulsgesteuerten Schalter in der gewünschten Weise beeinflußt wird.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Anordnung zum Gleichrichten eines Wechselstromes mit Hilfe von durch Impulse gesteuerten Schaltern und einer Schaltdrosselspule, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dieser Gleic'hrichteranordnung eine weitere Gleichrichteranordnung mit elektrischen Ventilen geschaltet ist, die an eine höhere Spannung angeschlossen ist als die Gleichrichteranordnung mit den impulsgesteuerten Schaltern, und daß bei Unter-bzw.Überschreitung eines bestimmten Gleichstromes die impulsgesteuerten Schalter außer Betrieb gesetzt oder in Betrieb. genommen werden und daß außerdem vom 'Strom des impulsgesteuerten Schalters die Spannungsstromkennlinie der Gleichrichteranordnung mit den elektrischen Ventilen gesenkt wird.
2. Anordnung nach Anspruch i unter Verwendung von Trockengleichrichtern, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem Trockengleichrichter eine Drosselspule geschaltet ist, die mit dem Gleichstrom, :der von dem impulsgesteuerten Schalter gleichgerichtet wird, zusätzlich erregt wird.
3. Anordnung nach Anspruch i unter Verwendung einer gittergesteuerten Röhre, dadurch gekennzeichnet, daß die Gittersteuerung in Abhängigkeit vom Gleichstrom des impulsgesteuerten Schalters so erfolgt, daß die von der Röhre gelieferte Gleichspannung mit steigendem Strom durch den impulsgesteuerten Schalter stark abfällt.
4. Anordnung mach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Einschalten dienenden Impulse über Schaltwandler einem Hilfsspannungsnetz entnommen und über eine Impulssperre geführt werden, welche die Stromimpulse schwächt bzw. unterdrückt, sobald der Gleichstrom einen bestimmten Wert unterschreitet.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulssperre aus zwei Drosselspulen besteht, deren von den Impulsen erregte Wicklungen gleichsinnig und deren vom Gleichstrom erregte Wicklungen gegensinnig in Reihe geschaltet sind oder umgekehrt.
6. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltimpulse über gesättigte Wandler erzeugt werden, die in Reihe mit der Schaltdrosselspule liegen.
7. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der Gleichspannung beide Gleichrichteranordnungen gleichzeitig geregelt werden. B. Anordnung nach Anspruch 2 und 4 bzw. 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltwandler zur Erzeugung der Einschaltimpulse oder die Schaltdrosselspule selbst und die Drosselspule im Stromkreis des Trockengleichrichters durch den Gleichstrom beeinflußt werden. g. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die die elektrischen Ventile enthaltende Gleichrichteranordnung an die Sekundärwicklung des gleichen Transformators angeschlossen ist wie die impulsgesteuerten Schalter, jedoch unter Zwischenschaltung eines Zusatztransformators.